Классическая термодинамика: понятие энтропии и второе начало термодинамики

Биология » Концепции современного естествознания » Классическая термодинамика: понятие энтропии и второе начало термодинамики

Термодинамика – судя по названию – должна изучать потоки тепла. Первым важным шагом на этом пути было исследование цикла Карно. Сади Карно опубликовал научный труд, в котором он анализировал работу идеальной тепловой машины.

Допустим, перед нами цилиндр с поршнем, наполненный холодным газом. Если газ нагреть, то он, расширяясь, будет толкать поршень. Чтобы машина могла работать непрерывно, необходимо вернуть поршень назад и повторить цикл.

Для этого необходимо либо выбросить горячий газ и впустить в цилиндр новый, холодный (как это делается в двигателе внутреннего сгорания), либо охладить прежний объём газа. В любом случае нас ожидает пренеприятнейшая процедура – механик тратит дорогое топливо, чтобы нагреть газ, но часть полученного тепла он вынужден выбросить в окружающую среду, чтобы машина смогла совершить следующий цикл. Таким образом, никакая тепловая машина не может обладать стопроцентным КПД (коэффициент полезного действия). Всю работу можно перевести в тепло, но не всё тепло – в работу. Реальный переход в современных тепловых машинах составляет 20-30%.

Термодинамика как наука оформилась позже, в 50 – 60-е годы XIX в., в трудах Клаузиуса, У. Томсона, Максвелла, Джоуля. Наиболее важным её понятием стала энтропия, разработанная Клаузиусом в 1865 г. и обозначаемая буквой S (ΔS=ΔQ/T, где ΔQ – тепло, переданное одним телом другому телу, а T – температура). С помощью энтропии можно было вычислять направление потоков тепла. Оно определяется фундаментальным принципом – вторым началом термодинамики, которое записывается так: ΔS ≥ 0, что означает – энтропия не может уменьшаться. В частности, приняв этот постулат, можно доказать, что тепло никогда не перейдёт от менее нагретого тела к более нагретому – при этом уменьшилась бы энтропия. Закономерен вопрос – если есть второе начало термодинамики, то должно быть и первое?

Первым началом является закон сохранения энергии. Энтропия как мера хаоса В конце XIX в. Людвиг Больцман расширил границы термодинамики, введя новое определение энтропии: S = k ln W, где W – термодинамическая вероятность, k – постоянная Больцмана. Теперь второе начало из постулата превратилось в теорему, доказуемую методами теории вероятности. Теперь энтропию можно представлять как меру хаоса, беспорядка, а второе начало термодинамики следует читать так: беспорядок (неупорядоченность) со временем способен только возрастать, упорядоченность никогда не создаётся самопроизвольно.

Возникновение и эволюцию жизни на Земле всегда рассматривают как становление более сложного из более простого, а фундаментальный закон природы – второе начало термодинамики – запрещает подобные процессы.

Долгое время физики и биологи старались не замечать этого противоречия.

В конце 40-х годов Э. Шрёдингер издал маленькую популярную книжку "Что такое жизнь с точки зрения физика", где попытался разрешить этот парадокс. В конечном счёте Шрёдингер приходит к выводу, что живые организмы извлекают из окружающей среды отрицательную энтропию. Как? – посредством питания. С этим тезисом не согласится ни один физиолог.


Другое по теме:

Примеры вращения белков
Внутримембранные белки характеризуются широким спектром времен вращательной релаксации. На одном конце временной шкалы находится родопсин, который, по-видимому, свободно вращается в мембране наружного сегмента палочки сетчатки (0, = 20 мк ...

Типы дыхания прокариот (определение, химизм процесса)
Дыхание – сложный биологич процесс, сопровождающийся окислен или восстановлен органич соединен с последующим накоплен Е в виде АТФ. Процесс образован АТФ – фосфорилирование. 3 способа получен АТФ : фотосинтез (фотофосфорилирование), дыха ...

Образ жизни
Крокодилы распространены во всех тропических странах, обитая в разнообразных пресных водоемах. Все современные крокодилы приспособлены к полуводному образу жизни – обитая в воде, яйца они, однако, откладывают на суше, – хотя еще 3000 лет ...